15

«Дутые» показатели

Казалось бы, кто не знает, что такое турбонаддув? Почти каждый автолюбитель что-то слышал про «турбину, которая закачивает воздух в мотор, повышая его мощность». Но, как правило, на этом твердые знания о природе и принципах работы наддува у большинства заканчиваются. Кое-кто, правда, может ещё вспомнить про «компрессоры», но не более. Так давайте сегодня разберемся: что же такое турбонаддув?

Сначала вспомним, что мощность двигателя напрямую зависит от следующих показателей: рабочего объема цилиндров, количества и качества подаваемой в них топливо-воздушной смеси, эффективности её сгорания, и энергоемкости топлива. Для кардинального увеличения мощности мотора без изменения его рабочего объема существует только один метод. Заключается он в оснащении двигателя своего рода воздушным «насосом», который будет загонять в цилиндры дополнительные порции воздуха, необходимые для сжигания увеличенных доз топлива. Ведь чем больше горючего сжигается в единицу времени, тем выше мощность мотора.

Представим себе такт впуска двигателя внутреннего сгорания. Мотор в это время работает как насос, впрочем, не совсем эффективный — на пути воздуха (горючей смеси) находится воздушный фильтр, изгибы впускных каналов, а в бензиновых моторах — ещё и дроссельная заслонка. Все это снижает скорость всасываемого воздуха. Как следствие, падает и интенсивность наполнения цилиндра. Чтобы её повысить, необходимо увеличить давление перед впускным клапаном, тогда количество, всасываемой в цилиндр, горючей смеси (для дизелей — воздуха) окажется больше. Энергоотдача от сгорания большего количества топлива соответственно повысит общую мощность двигателя. Для этих целей в свое время было предложено довольно много конструкторских решений, однако прижились далеко не все.

В числе первых можно назвать схему роторного нагнетателя, придуманную американцем Фрэнсисом Рутсом ещё в 1860 году. Интересно, что изначально это устройство предлагалось в качестве вентилятора для проветривания промышленных помещений. Принцип его действия следующий: две, находящиеся в общем кожухе, прямозубые шестерни вращаются в противоположных направлениях. При этом вращении порции воздуха, занимающие пространство между зубьями шестерен и внутренней стенкой корпуса доставляются от впускного коллектора до выпускного. В 1949 году другой американский изобретатель — Итон — усовершенствовал конструкцию Рутса. Вместо прямозубых шестерен он предложил косозубые роторы. Теперь воздух перемещался не поперек их осей вращения, а вдоль. Принцип работы при этом не изменился: воздух внутри агрегата не сжимается, а просто перекачивается в другой объем. Отсюда пошло и название устройства — объемный нагнетатель (не путать с компрессором).

Спиральный компрессор создал в конце 19 века немецкий инженер Кригар. Что характерно, об автомобильном применении изобретения речь поначалу тоже не шла. Для этих нужд конструкцию приспособил швед Алф Лизхолм в 30- годах прошлого века. Его устройство внешне напоминало нагнетатель Рутса. Там тоже были два ротора, вращающиеся навстречу друг другу. Воздух также перемещается вдоль их осей. Однако на этом сходство завершается. Сечения роторов Лизхолма намного сложнее и вдобавок они разные. Кроме того, шаг закрутки роторов меняется по длине, из-за чего при движении вдоль осей воздух в каждой ячейке сжимается. Таким образом устройство превращается из простого нагнетателя в компрессор.

Конструкция центробежного компрессора крайне проста. В корпусе, напоминающем раковину моллюска вращается крыльчатка сложной формы. Воздух засасывается по центру и отбрасывается по периферии, при этом под действием центробежных сил происходит его сжатие.

Турбокомпрессор чаще всего называют турбонагнетателем. По принципу действия он представляет собой уже описанный центробежный компрессор. Нюанс — в том, как он приводится в движение. У турбокомпрессора крыльчатка-нагнетатель установлена на одном валу с ещё одной крыльчаткой — турбиной, которая встроена в выпускной коллектор двигателя и вращается под действием потока отработавших газов. В отличие от ранее упомянутых устройств, эта конструкция не имеет никакой механической связи (шестеренчатой, ременной) с коленчатым валом двигателя.

У нагнетателя Рутса и компрессора Лизхолма обороты увеличиваются синхронно с оборотами коленчатого вала, подача воздуха растет прямо пропорционально. Благодаря этому кривая крутящего момента двигателя, практически не меняя своей конфигурации, смещается вверх. У центробежного и турбо-компрессоров производительность с ростом числа оборотов увеличивается куда стремительней. Поэтому установка того или иного агрегата по-разному меняет характеристики двигателя.

Конструкции Рутса и Лизхолма весьма эффективны с самых «низов». Но последний на высших оборотах выдает более плоскую характеристику мощности и крутящего момента. К преимуществам компрессоров этого типа можно отнести также более высокий КПД, лучшее соотношение габариты/масса, и меньший разогрев при работе. Рабочая частота вращения находится обычно в районе 12–14 тыс. об/мин, но может доходить и до 25 тыс. Роторы Лизхолма с их сложной формой требуют высочайшей точности изготовления. Из-за этого они появились на рынке заметно позже других. Главные производители таких компрессоров — шведские компании Lysholm и Autorotor. Более известные потребителю фирмы Kleemann, Whipple и другие поставляют в основном готовые комплекты на шведской основе, разработанные для конкретных моделей двигателей. Комплекты включают интеркулер, систему привода, входной коллектор, переходники и разную мелочевку…

Механический центробежный компрессор конструктивно наиболеее прост и компактен, из-за чего весьма популярен в США. Правда, к нему требуется промежуточное механическое устройство для повышения числа оборотов ротора (обычный диапазон — до 100 000 об/мин). Производительность центробежного компрессора, как мы уже сказали, нелинейная — чем выше частота вращения, тем больше воздуха подается за каждый оборот. На низах же эффективность практически нулевая, поэтому увеличения тяги здесь ожидать не приходится. Где-нибудь «повыше» уже можно получить заметный подъем кривой крутящего момента, правда, лишь в довольно узком диапазоне оборотов.

Частота вращения турбокомпрессора может превышать 200 000 об/мин. К числу его явных достоинств относятся повышение КПД и экономичности мотора, поскольку механический привод отбирает мощность у двигателя, а турбина лишь использует энергию отработавших газов. Главный минус — инерционность, называемая в просторечии «турбояма». Дело в том, что после резкого нажатия на педаль акселератора приходится ждать, когда поток выхлопных газов станет достаточно интенсивным для раскрутки турбины до приемлемого числа оборотов. Борются с этим явлением несколькими способами. Например, применяют перепускные клапаны: один — для отработавших газов, а другой — для направления «излишков» воздуха из коллектора двигателя в трубопровод к компрессору. Благодаря этому, частота вращения ротора турбины при сбросе газа снижается незначительно, и при последующем нажатии на педаль задержка подачи воздуха составляет лишь доли секунды, соответствующие времени закрытия клапана.

Не так давно подачу воздуха стали регулировать, путем изменения угла наклона лопаток компрессора. Сама эта идея, опять-таки, не новая, однако воплотить её долгое время не могли. Ещё один метод борьбы с «турбоямой» — одновременное использование двух турбин. Первая, вспомогательная, поддерживает нужное давление во впускном тракте на низких оборотах, а вторая — основная — выходит на первые роли на более высоких.

Один из главных недостатков турбин — относительно короткий срок службы, обусловленный очень высокой частотой вращения их ротора — 150–200 тысяч об/мин. До последнего времени жизнь всего агрегата ограничивала долговечность подшипников скольжения, по сути миниатюрных масляных ванн, в которых «плавает» ось турбины. Масло поступает туда под давлением из системы смазки двигателя. Выход нашелся относительно недавно, когда удалось разработать подшипники качения с керамическими шариками. Их обоймы заполнены постоянным запасом пластичной смазки и канал от масляной системы двигателя уже не требуется. В перспективе ожидается появление на серийных авто металлокерамического ротора турбины, который примерно на 20% легче изготовленного из жаростойких сплавов.

По своему влиянию на характеристику крутящего момента двигателя турбокомпрессор на первый взгляд схож с механическим центробежным. Но специфика привода позволяет изменять его характеристики в более широком диапазоне, выравнивая изначальные изъяны кривой крутящего момента.

Приставки «битурбо» и «твинтурбо» в названии двигателя означают, что вместо одной турбокомпрессорной установки используются две — параллельно, а иногда и последовательно. Управлять диапазонами работы роторов при последовательном наддуве можно по-разному, добиваясь нужной итоговой характеристикой двигателя.

В погоне за мощью наддувной установки ротор турбокомпрессора нельзя увеличивать до бесконечности. Ведь, чем больше диаметр турбины, тем выше её момент инерции. Это значит, что даже если водитель при разгоне порезче нажмет на педаль акселератора, быстрого ускорения все равно не получится: придется подождать, пока турбина наберет соответствующие обороты. Поэтому её следует делать как можно меньше по диаметру. Однако, снижая диаметр турбины мы снижаем и количество поступаемого воздуха, которое зависит от линейной скорости вращения лопаток. Исправить ситуацию можно увеличив угловую скорость вращения. Но в этом случае на первый план выходят ограничения допустимых нагрузок на материалы. Выход — в использовании нескольких турбин с меньшим диаметром.

При покупке подержанного авто с турбированным мотором следует помнить о целом ряде признаков, по которым можно вычислить проблемы в системе наддува. Так, масляные подтеки вокруг турбины говорят о плохом ремонте либо об изношенности её деталей. Скрывать следы некачественного ремонта может также покрашенный корпус турбинного колеса. Подтеки антифриза вокруг турбины свидетельствуют о негерметичности соединений трубопроводов системы охлаждения. Перекосы в соединениях и загибы патрубков турбины тоже явный признак некачественного ремонта и установки. «Неродной» выпускной клапан на шланге привода перепускного клапана может привести к поломке турбины и автоматическому аннулированию гарантии. Царапины и другие следы от инструментов на штанге привода перепускного клапана могут быть признаком недавней регулировки максимального давления наддува, что категорически запрещается практически всеми производителями. Если в корпусе турбины есть сквозные трещины, значит внутрь вместе с неочищенным воздухом могут попасть твердые частицы, вызывав повреждения компрессорного колеса. Ход же его вверх-вниз более чем на 0,8 мм свидетельствует об износе подшипников. Если владелец при осмотре б/у машины вам разрешит снять воздушный фильтр, то необходимо убедиться в отсутствии следов контакта между компрессорным колесом и корпусом. Их наличие говорит о сильном износе подшипников турбины и о необходимости немедленного ремонта.

Трещины на шланге привода перепускного клапана ведут к критическому увеличению давления наддува. Трещины на интеркуллере — к уменьшению давления наддува и количества воздуха, поступающего в цилиндры. Негерметичность гидролинии подачи масла в турбину (о чем могут сказать подтеки) вызывает её масляное голодание и последующий выход из строя. Свист при ускорении автомобиля говорит о большом дисбалансе ротора. Скрип или вой при ускорении свидетельствуют о чрезмерном износе подшипников. Причиной вялого разгона является недостаточное давление наддува, которое может быть вызвано неисправностью механизма перепускного клапана, утечкой воздуха или другим повреждением турбины. Напротив, слишком интенсивное ускорение говорит о повышенном давлении наддува. В этом может быть виноват опять же неисправный или неправильно отрегулированный перепускной клапан. Голубой цвет выхлопных газов на холостых оборотах является следствием негерметичности уплотнений, чрезмерного износа подшипников или неисправности дренажной гидролинии турбины. Черный выхлоп на холостых оборотах говорит об износе ТНВД, форсунок и неправильной регулировке системы подачи топлива.

Источник: http://www.automania.ru

Комментарии запрещены.